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Ultraleichtes Material erfunden – Vorbild war der Eiffelturm

Ein metallisches Gittergeflecht, bestehend aus Röhren so fein wie Haare, ist nun das leichteste Material, das jemals entwickelt wurde — mit einer geringeren Dichte als Luft, wie Forscher herausfanden. Es ist superstabil und widerstandsfähig. Das ultraleichte Metall kann sogar auf einer Pusteblume liegen, ohne sie zu zerstören.


Der Grundgedanke beim Erstellen des Feststoffes war, ein Material zu erschaffen, das außergewöhnlich stark, aber auch sehr leicht ist. Ultraleichte Materialien wie Schäume werden oft zur Wärmedämmung oder Schallisolierung genutzt oder um Vibrationen und Stöße abzuhalten. Oft werden solche Stoffe auch als Bestandteil von Batterien und Katalysatoren verwendet.

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Die leichtesten Materialien der Welt waren bisher sogenannte Aerogele, auch unter dem Namen „Frozen Smoke" bekannt. Sie können eine Dichte von nur einem Milligramm pro Kubikzentimeter erreichen, was sie ebenfalls leichter als Luft macht. Das Problem mit Materialien wie Schaum und Gel war bisher immer ihr unstrukturierter Aufbau. Aerogele werden hergestellt, indem man den Flüssigkeitsgehalt von Gel durch Gas ersetzt. Dadurch entsteht im Material eine Struktur, die einem Gewirr von mikroskopisch kleinen Perlenketten ähnelt. Durch diesen ungeordneten Aufbau ist das Material jedoch instabiler als in seiner Ausgangsform.

Nun haben Wissenschaftler ein Ultra-Leichtgewicht aus metallischem Gitter mit geringer Dichte und sehr geordneter Struktur entwickelt. Das hat eine höhere Stabilität und Widerstandsfähigkeit sowie bessere Leitfähigkeiten als die Ausgangsmaterialien, berichtet das Fachmagazin „Science" in seiner Novemberausgabe.

„Unser Ziel ist es, leichtgewichtige Materialien zu revolutionieren, indem wir ihre Struktur neu anlegen", so Tobias Schaedler, Chef des Forschungsteams der HRL Laboratories Limited Liability Company in Malibu, gegenüber dem Internetmagazin "InnovationNewsDaily".

„Wenn Sie sich mal den Eiffelturm oder die Golden Gate Bridge anschauen, werden Sie feststellen, dass diese Bauwerke unglaublich leicht und stabil für ihre Größen sind. Das resultiert aus ihrem Aufbau — der Eiffelturm ist größer und leichter als die Pyramiden, was allein seine Konstruktion ermöglicht", erklärt Schaedler. „Wir übertragen den Aufbau dieser Bauten auf die Strukturen der Materialien."

Die Wissenschaftler begannen mit einem flüssigen Photopolymer — einem Molekül, das seine Eigenschaft verändert, wenn es Licht ausgesetzt wird. Sie bestrahlten das Photopolymer mit einem Muster aus ultraviolettem Licht, um ein dreidimensionales Gitter zu erzeugen. Diese Struktur ummantelten sie mit einem hauchdünnen metallischen Film — in diesem Fall einer Nickel-Phosphor-Verbindung.

Im nächsten Schritt entfernten Schaedler und seine Kollegen das Photopolymer, indem sie es mit einer Lauge wegätzten. So erzeugten die Forscher ein Gitter aus hohlen Nickel-Phosphor-Röhrchen, jedes zwischen 100 und 500 Mikrometern breit oder anders ausgedrückt nur ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares. Die Wandstärke dieser Röhrchen variiert zwischen 100 und 500 Nanometern, das ist 1000 Mal dünner als ein menschliches Haar.

Der so entstandene Stoff enthält mit einer Dichte von 0,9 Milligramm pro Kubikzentimeter mehr Luft als Aerogele, „Das Material besteht zu 99,9 Prozent aus Luft,", sagt Schaedler. „Es ist 200 Mal leichter als Styropor."

Während der Versuche erwies sich das Material als extrem elastisch und richtete sich auch dann wieder zu seiner vollen Größe auf, nachdem es um die Hälfte zusammengepresst wurde.

„Durch seine Energie-absorbierenden Eigenschaften lässt sich das Material zur Dämpfung von Schallwellen, Vibrationen oder Stößen einsetzen. Wir sind in der Lage die Struktur auf verschiedene Größen wie Millimeter, Mikrometer oder Nanometer anzupassen und wir könnten maßgeschneiderte Materialien für spezielle Anwendungsbereiche entwickeln."

Die Wissenschaftler experimentieren derzeit mit Gitternetzen aus anderen Materialien. „Es sollte möglich sein, diese Gitterstruktur aus allen dünnschichtigen Materialien herzustellen — zum Beispiel aus Diamant, Plastik und Keramik", sagt Schaedler.